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PERFECTIONNEMENTS A LA PRODUCTION ET A L'AMPLIFICA- TION DES IMPULSIONS ELECTRIQUES DE COURTE DUREE.
La présente invention se rapporte à des perfectionne- ments à la production et à l'amplification des impulsions élec- triques de courte durée.
Dans la signalisation par impulsions ou dans l'utili- sation d'impulsions pour la détection des obstacles, la déter- mination des hauteurs etc ... il est possible de concentrer dans chaque impulsion une énergie plus grande que dans le cas d'ondes entretenues. Plus la durée de l'impulsion est faible par rapport à la période de récurrence, plus grande peut être la concentration de l'énergie. Si, par exemple, chaque impul- sion a une durée d'un centimè de la période de récurrence,
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l'énergie instantanée susceptible d'être dissipée par un tube amplificateur ou générateur d'impulsions pendant lesdites impulsions est cent fois plus grande que l'é- nergie instantánée que le même tube peut dissiper pen- dant une transmission entretenue.
Pour obtenir une émission instantanée tres éle- vée, on augmente pendant la durée de l'impulsion, la tension de plaque, ce qui cause une augmentation simul- tanée du courant de plaque. L'énergie augmente ainsi suivant une loi à croissance plus rapide que celle de la tension.
Un problème important dans l'établissement des émetteurs d'impulsions consiste, par suite, dans la production de tensions de pointe très élevée pendant une période très courte, avec des débits de puissance considérable. conformément à l'une des méthodes les plus fréquemment adoptées, on intercale dans le circuit de plaque d'un tube une self-inductance de grande valeur et on alimente la grille du tube au moyen d'impulsions rectangulaires. A chaque impulsion, le courant de pla- que augmente rapidement et il atteint une valeur de pointe, après quoi il est coupé de façon abrupte.
L'énergie qui s'est accumulée dans la self-inductance se décharge alors dans le circuit formé par la capacité résiduelle et, si le circuit est correctement établi, on peut obtenir des impulsions apériodiques de tension et de puissance de pointe très élevées. Une pentode de .puissance normale de I KW donnera, par exemple, des tensions de pointe de 20.000 à 30.000 volts et des cou- rants de pointe de 15 ampères, pour des impulsions ayant une durée de 10 microsecondes. Ceci donne une puissance de pointe de 3oo à 450 KW.
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Par conséquent, pour obtenir ces énergies de sortie et ces ten- sions de pointe élevées, il est nécessaire que la grille soit très positive pendant l'émission de l'impulsion. D'autre part, la tension de grille doit tomber à des valeurs très négatives, pour qu'on puisse obtenir l'effet de coupure.
Le problème se pose donc de la constitution d'une source d'impulsions rectangulaires produisant des impulsions à flancs très raides à de hautes tensions, ladite source pré- sentant une impédance faible@
Il était d'usage, dans le passé, d'utiliser un géné- rateur d'impulsions rectangulaires à faible puissance et d'am- plifier lesdites impulsions au moyen d'une série de tubes connectés en cascade. Toutefois, il était nécessaire, dans de telles dispositions, d'utiliser des étages amplificateurs de puissance à courant de sortie important, qui n'était réellement nécessaire que pendant une faible fraction du temps. D'où un important gaspillage de puissance.
L'invention a notamment pour but la constitution d'un système amplificateur destiné à convertir des impulsions de ten- sion relativement faible en impulsions de tension élevée et de grande puissance développées dans un circuit à faible impédan- ce, grâce à l'usage d'un amplificateur à étages multiples, dont le premier étage est établi en vue d'amplifier la tension des impulsions le second et les étages suivants étant établis pour amplifier leur puissance, la tension restant pratiquement la même. Chaque étage comprend un ou plusieurs tubes électroniques actionnés de préférence à un grand nombre de fois leur puissance normale pendant la transmission d'une impulsion. En même temps, lesdits étages peuvent, de préférence, être disposés de manière à ne consommer qu'une faible puissance dans les intervalles entre impulsions.
Conformément à un mode de réalisation préfé- rée, également, les tubes peuvent être montés en cathodynes.
En outre, on peut obtenir une augmentation d'économie de puissance
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en alimentant les circuits de plaque des tubes avec une tension alternative, au lieu de les alimenter avec une tension continue.
L'invention a également pour objet un dispo- sitif de production d'impulsions rectangulaires utili- sant des tubes à faible puissance, de manière à produire des impulsions dont la puissance de pointe correspond à plusieurs fois la puissance des tubes.
Conformément a une caractéristique particuliè- re de l'invention, un système de production d'impulsions rectangulaires de courte durée à partir d'une source d'ondes sinusoïdales comporte un circuit de tubes élec- troniques destinés à convertir les ondes sinusoïdales en impulsions rectangulaires de tension élevée et de fai- ble puissance et des moyens d'application desdites im- pulsions à un ou plusieurs étages amplificateurs à tubes électroniques, disposés pour fonctionner comme amplifica- teurs de puissance et ne contribuant pas, pratiquement, à l'amplification de tension. Selon une disposition pré- férée, l'amplificateur de puissance comprend un ou plu- sieurs étages du type cathodyne.
Ces caractéristiques de l'invention et d'autres moins importantes seront mieux comprises à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des des- sins joints qui en représentent schématiquement, à titre d'exemples non limitatifs, deux modes de réalisation.
Les figures I et 2 sont les schémas de deux modes de réalisation de l'invention et les figures 3 et 4 sont des diagrammes de forme d'onde mentionnés dans la des- cription.
A,la figure I, la référence TI désigne une pen- tode, de préférence de faible puissance. VI et V2 sont des tubes amplificateurs qui peuvent comporter un nombre
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quelconque d'électrodes, mais qu'on a représenté, pour plue de simplicité, sous forme de triodes. Ces tubes peuvent être du ty- pe à cathode à chauffage indirect, comme représenté . pour plus de clarté, on a omis les circuits de chauffage. PI est monté en amplificateur ordinaire et les tubes VI et V2 sont connectés en cathodynes.
Si l'on applique une impulsion négative à la grille du tube PI, une impulsion positive apparait aux bornes de la résistance de plaque Rp. Cette impulsion est transmise à la grille du tube suivant VI .Le tube VI produit, aux bornes de sa résistance de cathode RI, une impulsion ayant pratique- ment la même amplitude que celle appliquée à la grille. De plus, comme la résistance de cathode peut être de bien plus faible valeur que la résistance de plaque précédente, Rp la puissance de pointe de l'impulsion produite par le tube VI peut être bien plus grande que la puissance de pointe des impulsions produi- tes par le tube précédent PI.
La puissance des impulsions est de nouveau amplifiée de la même manière grâce à la connexion de la grille du tube V2 à la cathode de VIet grâce à ce que la résistance de cathode R2 du tube V2 est beaucoup plus fai- ble que RI, la puissance de pointe des impulsions peut encore être augmentée sans variation appréciable de la tension. Il est clair que ce processus peut être répété autant de fois qu'on le désire. Avec deux tubes amplificateurs de puissance, comme représenté à la figure I, il est possible d'augmenter la puissance de pointe de l'impulsion cinquante fois, ou plus.
Pour obtenir un rendement de puissance élevé,le tube PI doit, de préférence, être une pentode à grande pente. Ses diverses grilles doivent alors être toutes voisines de la cathode et la plaque doit en être beaucoup plus éloignée. Il est donc possible d'appliquer à la plaque des tensions très élevées, sans agir sur le champ au voisinage de la cathode. En consé- quence, la surface émissive ne court aucun danger de se détériorer
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par suite de l'attraction violente de ses électrons, ou 'du bombardement par des ions positifs.
Comme on s'arrange pour que l'impulsion d'arrivée applique à la grille une tension négative, on peut rendre pratiquement nul le courant de plaque pendant l'impulsion .
De la sorte, la tension de plaque peut être très élevée sans dissipation d'une très grande puissance dans le tube,.
Pendant le reste du temps, cependant, un courant de pla- que passe, mais la dissipation d'énergie peut être limi- tée en donnant à la résistance de plaque RP une valeur suffisamment grande pour réduire la tension de plaque à une faible valeur.
Dans les étages amplificateurs de puissance, on utilise des tubes dans lesquels la puissance normale dis- sipée est de même ordre que la puissance moyenne dissi- pée par le courant de plaque pendant la transmission des impulsions. Ainsi, puisque lesdites impulsions n'ont qu' une très courte durée, la puissance de pointe dissipée par suite de courant de plaque pendant une impulsion quel- conque peut être faite égalé à un grand nombre de fois cette puissance moyenne. Par exemple, si les impulsions occupent I% du temps, la puissance instantanée dissipée dans le tube pendant la transmission d'une impulsion quel- conque peut être égale à cent fois cette puissance moyenne.
Four obtenir des impulsions à tension élevée,on applique à la plaque un potentiel beaucoup plus élevé que le potentiel normal, ce qui peut se faire, sans danger pour le tube: pour les raisons suivantes. Le tube ne four- nit de la puissance que pendant les périodes des impul- sions et le potentiel de la cathode s'élève pendant ces périodes. On s'arrange pour que la différence de poten- tiel entre la plaque et la cathode ne dépasse pas la
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valeur maximum admissible pendant la durée des impulsions.
De plus, les tubes sont en fonctionnement dans la région du courant grille, en un point de la caractéristique tel que le courant instantané de cathode soit bien plus grand, par exem- ple cent fois plus grand, que le courant normal. Pour y parve- nir, l'invention envisage l'utilisation de tubes à charge d'es- pace importante, ou à surface émissive ne se saturant pratique- ment pas, ou combinant ces deux caractéristiques. Par exemple, les cathodes à recouvrement d'oxyde ne se saturent pratiquement pas.
Les circuits de plaque de tous les tubes peuvent être alimentés en tension alternative, si les impulsions sont régu- lièrement répétées. La fréquence de ladite tension alternative doit être la même que celle des impulsions, ou qu'un de ses harmoniques et le potentiel appliqué à chaque plaque doit être maximum au moment des impulsions.
Cette disposition présente un avantage particulier lorsqu'elle est appliquée au premier tube. Elle augmente consi- dérablement le rendement en puissance du dispositif par suite de l'application du maximum de tension plaque seulement au moment.des impulsions. Le potentiel aux autres moments est plus faible, ou négatif et, de la sorte, la dissipation de puissance dans les tubes est réduite. Ce procédé sera expliqué en détail plus loin, à propos de la figure 2.
A la figure I, les résistances R4 et R5 shuntées par des condensateurs, sont représentées connectées dans les cir- cuits de cathode de VI et de V2. Lesdites résistances sont choisies de valeurs telles que les courants de plaque des tu- bes soient réduits à des valeurs très faibles pendant les intervalles entre impulsions, de manière à ce que la consomma- tion de puissance dans les tubes au cours desdits intervalles soit faible. Avec un montage du type de la figure I, il est possible de produire des impulsions de tension de pointe de 1'
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ordre de 1.000 volts aux bornes d'une impédance de 500 ohms -( c'est à dire une puissance de pointe de 2 KW.) à partir d'impulsions ayant une tension de pointe de quel- ques volts, en utilisant des tubes de puissance nominale ne dépassant pas 25 watts.
La figure 2 représente le montage d'un générateur d'impulsions sinusoïdales auquel ont été incorporées les caractéristiques spéciales décrites à propos de la figure I. Conformément à ces dispositions, un courant alternatif de fréquence égale à la fréquence de récurrence des impul- sions est applique à l'enroulement primaire d'un transfor- mateur T. Les enroulements secondaires alimentent les gril- les de deux pent,odes PI. P2. et ils sont de sens tels que les tensions qu'ils a-ppliquent aux grilles sont en oppo- sition de phase. Toutefois, un petit condensateur C permet de décaler légèrement ces tensions à partir de l'opposition de phase exacte.
Les enroulements secondaires du transformateur T fournissent des tensions très élevées, I.000 volts par exemple, de sorte que les tubes PI. P2. sont très brusque- ment saturés, mais chaque tension est transmise à la gril- le par intermédiaire d'une résistance très élevée RO qui limite la tension positive appliquée à la grille . Les ten- sions négatives sont également limitées par une diode D, qui connecte la grille à la terre, ou à tout autre point de potentiel stable, la cathode de ladite diode étant re- liée à la grille de la pentode et la plaque de la diode, à la terre à travers une résistance de polarisation RI.
Les plaques des deux pentodes sont reliées ensemble et alimentées à partir d'une source à très haute tension ( d'un à quelques milliers de volts) à travers une résis- tance RP.
Les pentodes PI. P2. sont de préférence des tubes
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à faible puissance, que l'on fait fonctionner à des tensions de plaque anormalement élevées. Comme expliqué précédemment, il est donc à désirer d'employer des pentodes à grande pente, dans lesquelles les trois grilles sont situées au voisinage de la cathode, la plaque étant à une distance relativement consi- dérable de la dite cathode.
Le fonctionnement de la partie du montage jusqu'à présent décrite va maintenant être expliqué avec référence aux diagrammes de forme d'onde de la figure 3.
A la figure 3a, on a représenté les deux ondes sinu- soïdales appliquées aux circuits de grilles. Ces ondes sont très légèrement décalées l'une par rapport à l'autre, à travers de l'exacte opposition de phase.
Une des ondes est représentée en trait fin à la figure 3b. Comme son amplitude est très élevée, une petite fraction seulement en est réellement transmise à la grille, le reste apparaissant aux bornes de la résistance RO, sous forme d'une chute de potentiel alternativement produite par le courant de grille et le courant de la diode. L'onde réellement transmise à la grille est représentée à la figure 3b en trait fort. Elle a la forme d'une série de trapèzes pratiquement rectangulaires, dont les pentes des flancs sont très raides si l'amplitude de l'onde est suffisamment grande.
Les courants de plaque II et 12 des deux pentodes prennent la forme de rectangles comme représenté aux figures 3c et 3d, en trait fort. Ces rectangles sont en opposition de phase, avec un léger décalage angulaire. Le courant résultant qui passe dans la résistance commune RP prend la forme repré- sentée par le trait fort continu à la figure 3e et on l'obtient en ajoutant ensemble les ordonnées des deux courbes des figures 3c et 3d. On voit que ce courant résultant a la forme d'impul- sions positives et négatives.
La tension de plaque a la forme inverse du courant
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résultant. Elle est maximum quand le courant est nul et minumum quand le courant est maximum, comme indiqué en 3f. Si par exemple, la tension appliquée à la résistance RP est de 2.000 volts, l'amplitude des impulsions peut être ( par exemple ) de 1.500 volts, si la valeur de la résistance RP a été choisie suffisau¯ment grande, compte tenu également du courant grille du tube suivant V, lequel n'est pas négligeable.
Si les tubes utilisés dans le type de montage qu'on vient de décrire fonctionnent à la manière habituel- le, la résistance RP devra être très grande, pour que la chute de potentiel à ses bornes due au courant de plaque soit suffisante pour produire l'amplitude d'impulsion désirée. De plus, comme la tension de plaque pendant les intervalles entre les signaux ( c'est à dire pendant en- viron 99% du temps) est, dans l'exemple qu'on vient de choisir, d'environ 1.000 volts, les tubes dissiperont une puissance considérable pendant presque tout le temps.
Ceci empêchera évidemment d'utiliser des tubes à faible puissance fonctionnant avec des tensions de plaque anorma- lement élevées, ce qui, d'autre part, serait à désirer.
!,,,,aisy si on applique une tension alternative à la résis- tance RP, au lieu d'une tension continue, ces objections peuvent être largement surmontées, car, par ce moyen, la consommation de puissance dans les intervalles entre im- pulsions peut être considérablement réduite, comme on va maintenant l'expliquer.
La tension alternative appliquée à la résistance de plaque RP est représentée à la figure 3g. Comme indiqué, elle doit être en quadrature avec les tensions appliquées aux grilles PI et P2 et elle doit être à son maximum posi- tif quand le courant de plaque résultant, comme représenté à la figure 3c, est nul. Aux figures 3c et 3d, les lignes
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en pointillé représentent les 'courants de plaque des tubes TI et T2 quand la tension alternative de la figure 3g est appliquée à la résistance RP, au lieu de la tension conti- nue.
La tension de pointe de l'onde-de la figure 3g est égale à cette tension continue et, comme la pointe se pro- duit en même temps que les impulsions, les courants II et I2 ont approximativement les mêmes valeurs à ce moment que lorsqu'on utilise des tensions continues. Comme la tension alternative tombe à zéro en des instants situés à mi-chemin entre les impulsions, les courants de plaque II et I2 doi- vent également tomber tous deux à zéro en ces mêmes instants et, en conséquence, ils doivent suivre les courbes en poin- tillé des figures 3c et 3d. Pendant une demi-période sur deux, quand la tension alternative appliquée est négative, le courant de plaque est nul.
Ainsi , le courant de plaque total IP = II + I2 qui passe dans RP prend la forme repré- sentée par les lignes pointillées de la figure 3e, obtenue en ajoutant les ordonnées des lignes pointillées des figu- res 3c et 3d. Les impulsions négatives aux demi-périodes intermédiaires disparaissent, car la tension de plaque est alors négative. En conséquence, le courant de plaque total est nul pendant la durée des impulsions positives et pen- dant la totalité des périodes pendant lesquelles la tension alternative appliquée est négative.
La tension de plaque est représentée à la figure 3h, où la ligne en pointillé représente la tension alter- native appliquée. La tension de plaque est négative ou maximum quand le courant de plaque total est nul et on peut lui faire prendre une valeur très faible, comme indiqué à la figure 3h, pendant la période où un courant passe, en rendant la résistance RP assez grande.
On voit aux figures 3c et 3d, que, lorsque les tubes fonctionnent avec une tension de plaque alternative,
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le courant de plaque de chaque tube, comme représenté par les lignes en pointillé, est nul, sauf pendant 1/4 de la période de l'onde de la figure 3g. De plus, le courant de plaque pendant ce 1/4 de période n'est pas constant, mais varie de façon continue depuis le maximum Il,±., jusqu' à zéro.
Le courant moyen pendant cette période peut donc être estimé comme très approximativement égal a IM/ #2 Ainsi, le courant de plaque moyen pendant toute une pério- de de la tension alternative sera approximativement de I m 4 #2 , soit environ I@6 . Ainsi, si IM est le courant de plaque maximum admissible pour une dissipation continue avec la tension continue normale ap- pliquée, un courant de plaque de 6 IM sera admissible avec une tension alternative appliquée. Ceci signifie que, pour produire la chute de tension désirée quand l'impulsion est reçue, la résistance RP peut être réduite à I/6 de la valeur nécessaire avec une tension de plaque continue appliquée.
La résistance RP est, de préférence, réglée com- me déjà mentionné, de sorte que, avec une tension de pla- que alternative, la tension de plaque pendant les instants où un courant de plaque passe, est beaucoup plus faible que la tension de plaque normale du tube. Ceci permet au courant de plaque d'être beaucoup plus élevé, pour la mê- me puissance moyenne dissipée. Par exemple, ce courant peut être au moins doublé ce qui lui donne une valeur de 12 IM. Lorsque le fonctionnement a lieu avec une tension continue appliquée à la plaque, le courant maximum de pla- que admissible n'est que de 2IM car, comme indiqué aux figures 3c et 3d, ( trait continu) le courant de plaque de chaque tube est nul pendant la moitié de chaque pério- de.
L'avantage obtenu par l'usage d'une tension al-
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ternative sera illustré au mieux par un exemple. Un tube fonc- tionnant normalement avec une tension de plaque continue de 300 volts et un courant de plaque de 50 milliampères peut être actionné avec une tension alternative de plaque de 2.000 volts et un courant de plaque instantané de 300 milliampères.
Dans le premier cas, la valeur de RP doit être d'environ 300/ 50 x 103 = 6. 000 ohms et, dans le second cas, RP devrait être d'environ 2.000 / 300 x 103 = 6. 567 ohms. En d'autres termes, grâce à l'utilisation d'une tension alternative, la tension de pointe des impulsions a été augmentée de 300 volts à 2.000 volts et la puissance de pointe a été multipliée pres- que par 50, la résistance de plaque RP restant pratiquement la même.
Il est également à recommander que l'alimentation des grilles écrans soit aussi alternative. La tension appli- quée aux grilles écrans doit être en phase avec celle appli- quée aux circuits de plaque. L'amplitude de la tension appli- quée aux grilles écrans doit, cependant, être du même ordre de grandeur que la tension normale dans le cas du fonctionne- ment en courant continu.
Le montage décrit plus haut fournit des impulsions de tension convenable, mais à partir d'une impédance élevée.
L'objet de l'étage amplificateur de puissance est l'obtention d'une augmentation de puissance grâce à la production desdi- tes tensions à partir d'impédances beaucoup plus faibles.
On y parvient, grâce à l'usage d'un ou de plusieurs tubes connectés en cathodynes, de façon analogue à celle déjà décrite à propos de la figure I. Les impulsions sont appliquées à la grille du tube V à travers le condensateur CI et la tension de sortie est recueillie sur une résistance R2, intercalée entre la cathode et la terre. R est une résistance de circuit de grille. Une tension approximativement égale à celle appliquée à la grille apparait à la cathode, et, comme déjà expliqué, la
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résistance R2 du circuit de cathode peut être beaucoup plus faible que la résistance RP aux bornes de laquelle sont appliquées les impulsions.
Si l'on désire obtenir des impédances de sortie encore plus faibles, il est possible de faire suivre cet étage ( comme représenté ) par un autre étage cathodyne utilisant deux tubes V1. V2. connectés en parallèle. La sortie , lieu aux bornes des résistances R4. R5. dans le circuit de cathode. La résistance R5 qui est shuntée par un condensateur C2, fournit la polarisation aux tubes VI. V2. Si on le désire, d'autres étages cathodynes peu- vent être utilisés et chaque étage peut consister en un, deux, ou plus de deux tubes en parallèle, si nécessaire.
Le ou les étages cathodynes peuvent être ali- mentés au moyen de tension alternative, comme précédem- ment, ladite tension devant être à peu près en quadrature avec la tension appliquée aux grilles des pentodes PI et P2.
Avec le circuit jusqu'à présent décrit, on peut produire des impulsions rectangulaires très courtes de tension élevée et leur puissance est également élevée, car le circuit de sortie présente une impédance faible.
L'énergie de sortie est appliquée, à travers un condensa- teur de couplage O3' à la grille d'un tube V3' générateur d'impulsions, connecté d'une façon connue, de manière à produire des tensions de pointe très élevées à grande puissance pendant des périodes très courtes. A chaque impulsion appliquée à la grille du tube, le courant de plaque augmente rapidement, et, après avoir atteint une valeur de pointe, il est coupé brusquement. L'énergie ac- cumulée dans la self-inductance L se décharge alors dans le circuit formé'par la capacité résiduelle CR. Des im- pulsions ayant la forme représentée à la figure 4 et
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dont la tension et la puissance de pointe sont très élevées se développent aux bornes de la résistance de charge LR.